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触媒を使ったプラスチック分解・原料化のはなし
私たちの暮らしになくてはならないプラスチック。使い終わった後は、分別回収されリサイクルが行われますが、資源として再利用されているのはごく一部という現実があります。理想は、廃プラスチックを原料に戻して、もう一度使うこと。
その「ケミカルリサイクル」を実用化に近づける鍵となる「触媒」の開発に関わる研究が、室蘭工業大学で進められています。
リサイクルするために
スーパーの棚から商品が消えた、住宅の新築・リフォーム工事が止まった……私たちの生活に大きな影響を与えている「ナフサショック」。ナフサは、プラスチックの原料となる重要な資源です。食品トレーやレジ袋、日用品など、身の回りにあるプラスチックの多くは、ナフサから生まれています。現代の暮らしは、想像以上に石油に依存している。そのことに、あらためて気付いた方も多いのではないでしょうか。
ナフサ不足が解消したとしても、石油が限られた資源であることに変わりはなく、その再利用は、人類共通の重要な課題です。日本では石油製品のリサイクルが進んでいるように見えますが、実は、その多くが「サーマルリサイクル」に回っています。
「サーマルリサイクルは廃プラスチックを燃やす際の『熱』を利用するリサイクルで、プラスチックの資源化とはならず、二酸化炭素も排出されます。真に理想的なのは、廃プラスチックをプラスチックとして再生し、利用し続けていくことです」と神田康晴教授は話します。
資源化するリサイクル方法の一つが、洗浄・粉砕・溶解などの物理的な処理をして新たな製品の原料とする「マテリアルリサイクル」です。ペットボトルなどで採用されていますが、複数の素材が混ざっていたり、汚れが取りきれなかったりすると品質が低下するため、この方法で再生できる廃プラスチックは限られています。
もう一つの方法が、化学的な処理を行って原料の状態まで戻す「ケミカルリサイクル」です。この方法では、ナフサから製造したものと遜色ない品質の製品を作ることができます。しかし、コストの高さやリサイクル効率の面でまだ課題が多くあり、廃プラスチック総排出量の3%でしか行われていないのが現状です。
ケミカルリサイクルの普及に向けて、課題を解決するアイテムとして期待されているのが「触媒」です。触媒とは、自らは変化せず、化学反応の後押しをしてくれる物質のことです。神田教授は、廃プラスチックのケミカルリサイクルを実現する触媒を、研究テーマの一つに掲げています。
［出典：（一社）プラスチック循環利用協会］
理想のサポーターを探せ
プラスチックは、基礎化学品であるエチレンやプロピレンなどの、炭素・水素を含む「一定の長さの分子（モノマー）」を、化学的につなぎ合わせて作られます。エチレンをつなぎ合わせたものがポリエチレン（PE）で、レジ袋や包装フィルム、ポリタンクなどのさまざまな容器に使われます。プロピレンをつなぎ合わせたものがポリプロピレン（PP）で、食品容器やコンテナ・パレットのほか、自動車のバンパーなどさまざまな部品にも用いられます。国内ではこの2種類が、廃プラスチックの総排出量のうち約6割を占めています。
PEとPPをケミカルリサイクルで再生できれば、非常に大きな社会的インパクトになります。しかし、「これらはとりわけ難しい素材でもあります」と神田教授は説明します。
「ケミカルリサイクルは、プラスチックに熱を加え、高温下で分子の分解反応を起こす方法です。PEとPPは、どちらも反応にかなりの高温が必要。多量のエネルギーを消費するため、環境負荷も大きくなります。また、分解の際に分子がモノマー単位でバラバラになると再利用が容易になりますが、PEとPPはどちらも炭素の鎖がランダムに切れる性質を持っており、ただ熱を加えただけでは、化学原料としては再利用ができないのです」
そこで、触媒の出番です。触媒は、化学反応をコントロールするためのサポーター。分解に要する温度を低くし、再利用しやすい物質の生成を助ける触媒が見つかれば、ケミカルリサイクルは大きく前進します。神田教授は、さまざまな物質がプラスチックの化学反応に与える影響を調べ、理想の反応を起こす触媒を特定する研究を行っています。
「触媒となる物質は、いわゆる酸や塩基といわれるものです。廃プラスチックの分解の場合は、高温下でも変化しない酸性の金属酸化物が中心になります。強い酸は反応温度を大きく下げることができますが、酸が強すぎると、生成される物質が副反応によって原料として使いにくいものになってしまいます。バランスを取りながら、できるだけ反応温度を低くしてエネルギーコストを下げられる触媒を調べています」
研究室では、東京科学大学の共同研究者から新たな触媒候補が届くと、触媒とプラスチックの混合物を加熱して、重量の変化と出てきた成分の内容を調べます。分析装置を使ってスクリーニングを行い、狙った成分が最も多く排出された温度を、PEやPP単体で加熱したときの温度と比較します。算出されたグラフから温度がどのくらい下がったのかを確認し、良い性能を示した触媒については、実際に使われる処理プラントに近い環境をガラス管で再現し、さらに詳しく調べます。
リサイクルにかかるコストを下げるためには、触媒が繰り返し使用できる物質かどうかも重要なポイントです。実験に使った触媒は、空気中で燃やして炭素を飛ばし、元の状態に戻してまた実験に使います。そうすることで、触媒を「再利用」という性能面からも評価しています。
※実際の分子構造や結合を厳密に表したものではなく、プロセスを感覚的に示した模式図です
最も必要な触媒は「人」
優れた触媒さえ見つかれば、すべての廃プラスチックは資源として再利用されていくのでしょうか。残念ながらそう単純な話ではないと、神田教授は言います。「メーカー等の試算では、触媒によってかなりコストダウンできたとしても、再生プラスチックの価格が石油から生成するプラスチックを下回ることはないという結果が出ています。ケミカルリサイクルが社会に定着していくには、価格が高くても、再生プラスチックを選ぶという意識が消費者や製造者に広がっていくことが必要です」
本学は、この分野の研究を半世紀以上続けてきました。それは、石油製品の再利用は、社会にとって必要な技術だという強い思いがあったからです。
「元々は、私が助手（現在の職位名は助教）で採用された際の教授であった上道芳夫名誉教授が、1970年代にゼオライトを触媒に使ったプラスチックの分解を研究したのが始まりでした。当時は、まだ資源が有限だという意識は薄く、リサイクルという言葉すら知られていませんでした。しかし、世の中は大きく変わり、資源を循環利用する重要性を理解する人は増えています」
追い風は吹いています。神田教授によると、官・民の両方で、リサイクル技術に関わる研究・開発に関する予算は年々増えているそうです。ナフサショックを契機に、ケミカルリサイクルの重要性の認知は、さらに高まっていくことでしょう。これを社会に定着させ、廃プラスチックを新たな「油田」としていけるかは、私たち次第。リサイクルを成功させる最も重要な触媒は、「人の意識」なのかもしれません。
